COLUMNAS - CONSTRUCCION DE EDIFICIOS

Las columnas son miembros estructurales rígidos y relativamente esbeltos diseñados principalmente para sustentar cargas axiales de compresión aplicadas en los extremos de los miembros. Las columnas relativamente cortas y gruesas están sujetas a falla por aplastamiento más que por pandeo. La falla se presenta cuando el esfuerzo directo proveniente de una carga axial sobrepasa la resistencia a la compresión del material disponible en la sección transversal. Sin embargo, una carga excéntrica puede producir flexión y conduce a una distribución desigual de esfuerzos en la sección.






• El núcleo central es el área principal de cualquier sección horizontal de una columna o de un muro en la cual debe situarse la resultante de todas las cargas de compresión si sólo van a estar presentes esfuerzos de compresión en la sección. Una carga de compresión aplicada fuera de esta área causará que se desarrollen esfuerzos de tensión en la sección.




• Las fuerzas externas crean esfuerzos internos dentro de los elementos estructurales.

Las columnas largas y esbeltas están sujetas a falla por pandeo en lugar de por aplastamiento. El pandeo es la inestabilidad súbita lateral o de torsión de un miembro estructural esbelto inducida por la acción de una carga axial antes de alcanzar el esfuerzo de fluencia del material. Bajo una carga de pandeo, una columna comienza a deformarse lateralmente y no puede generar las fuerzas internas necesarias para restituir su condición lineal inicial. Cualquier carga adicional haría que la columna se deformara aún más hasta que se presente el colapso por fbdón. Entre mayor sea la relación de esbeltez de una columna, es menor el esfuerzo crítico que causa su pandeo. Un objetivo primario en el diseíío de una columna es reducir su relación de esbeltez acortando su longitud efectiva o maximizando el radio de vuelco de la secció»?
transversal.

• La relación de esbeltez de una columna es el cociente de su longitud efectiva (L) entre el menor radio de vuelco (r). Por lo tanto, en las secciones de columnas asimétricas, el pandeo tenderá a presentarse alrededor del eje más débil o en la dirección de la dimensión mínima. 1.

• La longitud efectiva es la distancia entre los puntos de inflexión de una columna sujeta a pandeo. Cuando esta parte de la columna se pandea, la columna completa falla. 2.
• El factor de longitud efectiva (k) es un coeficiente paramodificar la longitud verdadera de una columna de acuerdo con las condiciones de sus extremos y determinar así su longitud efectiva. Por ejemplo, la fijación de ambos extremos de una columna larga reduce su longitud efectiva a la mitad y aumenta su capacidad de carga en un factor de 4.

• El radio de vuelco (r) es la distancia desde un eje para la cual se puede suponer que la masa de un cuerpo está concentrada. Para la sección de una columna, el radio de vuelco es igual a la raíz cuadrada del cociente del momento de inercia entre el área. 3.

EDIFICIOS - EQUILIBRIO ESTRUCTURAL

Tanto en el diseño como en el análisis estructural, nuestra primera preocupación es la magnitud, la dinsccíón y el punto de aplicación de las fuerzas y su resolución para producir un estado de eciuilibrio. El ecjuilibrio es un estado de balance o de reposo que resulta de la acción homóloga de fuerzas opuestas. En otras palabras, a medida cjue cada elemento estructural se carga, sus elementos de apoyo deben reaccionar con fuerzas iguales y opuestas. Para que un cuerpo rígido esté en eciuilibrio, son necesarias dos condiciones.

• Primero, la suma vectorial de todas las fuerzas c[ue actúan sobre éste debe ser igual a cero, asegurando el
equilibrio en la traslación:


• Segundo, la suma algebraica de todos los momentos de las fuerzas alrededor de cualcjuier punto o línea debe ser igual a cero, asegurando un eciuilibrio en la rotación:

• La tercera ley del movimiento de Newton, la ley de la acción y de la reacción, establece ciue para cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, el cuerpo ejerce una fuerza ciue tiene igual magnitud y dirección opuest¿. a lo largo de la misma línea de acción ciue la fuerza original.

• Una carga concentrada actúa sobre un área muy pequeña o punto específico de un elemento estructural de apoyo, como cuando una viga se apoya sobre un poste o una columna se apoya sobre su zapata. 1.
• Una carga distribuida uniformemente es una carga de magnitud uniforme ciue se extiende sobre la longitud o el área del elemento estructural de apoyo, como en el caso de la carga viva sobre la cubierta o una vigueta del piso, o una carga eólica sobre un muro. 2.
• Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica del sistema completo de fuerzas aplicadas y reactivas ciue actúan sobre un cuerpo o sobre una parte aislada de una estructura. Cada parte elemental de un sistema estructural tiene reacciones ciue son necesarias para el eciuilibrio de esa parte, así como el sistema más grande tiene reaccionee en sus apoyoe que sirven para conservar el eciuilibrio del todo. 3.

EDIFICIOS - FUERZAS ESTRUCTURALES

Una fuerza es cualquier influencia que produzca un cambio en la forma o el movimiento de un cuerpo. Se le considera una cantidad vectorial que posee tanto magnitud como dirección, representada por una flecha cuya longitud es proporcional a la magnitud y cuya orientación en el espacio representa la dirección. Una fuerza individual que actúa sobre un cuerpo rígido puede considerarse que actúa en cualquier punto a lo largo de su línea de acción sin alterar el efecto externo de la fuerza. Dos o más fuerzas pueden estar relacionadas de las siguientes maneras:

• Las fuerzas colineales se presentan a lo largo de una línea recta, cuya suma vectorial es la suma algebraica de las magnitudes de las fuerzas, actuando a lo largo de la misma línea de acción.


• Las fuerzas concurrentes tienen líneas de acción que se intersecan en un punto común, cuya suma vectorial es equivalente y produce el mismo efecto en un cuerpo rígido que la aplicación de los vectores de las diferentes fuerzas. 1.
• La ley del paralelogramo establece que la suma vectorial o la resultante de dos fuerzas concurrentes puede describirse por la diagonal de un paralelogramo cuyos lados adyacentes representan a los dos vectores de fuerza que se van a sumar. 2.

• De manera similar, cualquier fuerza individual puede des¬ componerse en dos o más fuerzas concurrentes que tengan un efecto neto sobre un cuerpo rígido equivalente al de la fuerza inicial. Por conveniencia, en el análisis estructural generalmente éstas son las componentes rectangulares o cartesianas de la fuerza inicial. 3.
• El método del polígono es una técnica gráfica para encontrar la suma vectorial de un sistema coplanar de varias fuerzas concurrentes. Se dibuja a escala sucesivamente cada vector de fuerza, con el extremo posterior de cada uno en la cabeza del precedente y se completa el polígono con un vector que represente a la fuerza resultante, prolongándolo desde el extremo posterior del primero a la cabeza del último vector. 4.
• Las fuerzas no concurrentes tienen líneas de acción que no se intersecan en un punto común y cuya suma vectorial es una fuerza individual que causaría la misma traslación y rotación de un cuerpo que el conjunto de las fuerzas originales.

• Un momento es la tendencia de una fuerza a producir rotación de un cuerpo alrededor de un punto o de una línea, de magnitud igual al producto de la fuerza por el brazo de momento y que actúa en la dirección del sentído de las manecillas del reloj o en sentido contrario. 5.
• Un par es un sistema de fuerzas de dos fuerzas iguales y paralelas que actúan en direcciones opuestas y que tienden a producir rotación, pero no traslación. La magnitud del momento de un par es igual al producto de una de las fuerzas por la distancia perpendicular entre las dos fuerzas. 6.

EDIFICIOS - CARGAS SÍSMICAS

• El periodo natural de una estructura varia de acuerdo con su altura arriba de la base y su dimensión paralela a la dirección de las fuerzas aplicadas. Las estructuras relativamente rígidas oscilan rápidamente y tienen periodos cortos, mientras que las estructuras más flexibles oscilan más lentamente y tienen periodos mayores.

Un sismo consiste en una serie de vibraciones longitudinales y transversales inducidas en la corteza terrestre por el movimiento abrupto de las placas a lo largo de las líneas de falla. Los impactos de un sismo se propagan a lo largo de la superficie en forma de ondas y se atenúan logarítmicamente con la distancia desde la fuente. Aun cuando estos movimientos del suelo son de naturaleza tridimensional, se considera que sus componentes horizontales son las más críticas en el diseño estructural; los elementos que sustentan caras verticales en una estructura generalmente tienen una reserva considerable para resistir cargas verticales adicionales,

•La masa superior de una estructura desarrolla una fuerza de inercia cuando tiende a permanecer en reposo mientras que la base se desplaza por los movimientos del suelo por el sismo. De la segunda ley de Newton, esta fuerza es igual al producto de la masa por la aceleración.1.

• Una fuerza lateral estáticamente equivalente la fuerza cortante en la base, puede calcularse para estructuras regulares menores que 73 m (240’) de altura, estructuras irregulares no mayores que cinco pisos de altura y estructuras con un bajo riesgo sísmico.

• La fuerza cortante en la base es el valor mínimo de diseño de la fuerza sísmica lateral total en una estructura que se supone responde en cualquier dirección horizontal. Se calcula multiplicando la carga muerta total de la estructura por varios coeficientes que reflejan el carácter y la intensidad de los movimientos del suelo en la zona sísmica, el tipo de perfil del suelo que subyace a la cimentación, el tipo de ocupación, la distribución de la masa y la rigidez de la estructura, y el periodo natural de la estructura —el tiempo que requiere una oscilación completa. 2.

• La fuerza cortante en la base se distribuye en cada día grama horizontal arriba de la base de las estructuras regulares proporcionalmente al peso del piso en cada nivel y a la distancia desde, la base. 3.

• Se requiere un análisis dinámico ms complejo para las estructuras de gran altura, para las estructuras de forma irregular o de sistema reticular, o para las estructuras construidas en suelos blandos o pasticos susceptibles de falla o de colapso bajo carga sísmica.

• Cualquier carga lateral aplicada a una distancia por arriba de la rasante genera un momento de vuelco en la base de la estructura. Para el equilibrio, el momento de vuelco debe contrabalancearse mediante un momento externo de restauración y un momento resistente interno suministrado por fuerzas desarrolladas en las columnas y en los muros de cortante. 4.

• La carga muerta de la estructura suministra un momento de restauración que actúa alrededor del mismo punto de rotación que el movimiento de vuelco, El reglamento de construcciones generalmente requiere que el momento de restauración sea por lo menos 50% mayor que el momento de vuelco. 5.

La siguiente es una breve introducción a la manera como un sistema estructural debe resolver todas las fuerzas que actúan sobre un edificio y transmitirlas al suero. Para una información más completa sobra el análisis y el diseño estructural de los edificios, véase la bibliografía.

EDIFICIOS - CARGAS DE VIENTO

Las cargas de viento son las fuerzas ejercidas por la energ a cinética de una masa de aire en movimiento, suponiendo que provenga de cualquier dirección horizontal.

• La estructura, los componentes y el revestimiento de un edificio deben diseñarse para resistir el deslizamiento, el levantamiento o el vuelco inducidos por el viento.

• El viento ejerce una presión positíva en sentido horizontal sobre las superficies verticales de barfovento de un edificio y en sentido normal a las superficies de los techos de barlovento que tengan una inclinación mayor que 30°.

• El viento ejerce ura presión negativa o succión en lados y en las superficies de sotavento y en dirección normal a las superficies del techo de barlovento que tengan una inclinación menor que 30º.

• La presión de viento de diseño es un valor mínimo de diseío de la presión estática equivalente sobre las superficies exteriores de una estructura que resulta de una velocidad crítica del viento, igual a una presión de referencia del viento que se mide a una altura de 10 m (33’) modificada por varios coeficientes que toman en cuenta los efectos de las condiciones de exposición, la altura del edificio, las ráfagas del viento y la geometría y orientación de la estructura con respecto al flujo de aire incidente.

• Un factor de amplificación puede aumentar los valores de diseño del viento o de las fuerzas sísmicas en un edificio debido a su ocupación grande, su contenido potencialmente peligroso, o su naturaleza esencial ante un huracán o un sismo.

• La vibración se refiere a las rápidas oscilaciones de un cable flexible o de una estructura de membrana causadas por los efectos aerodinámicos del viento.

• Los edificios altos y esbeltos, las estructuras con formas complejas o poco comunes y las estructuras flexibles y ligeras sujetas a vibraciones requieren de ensayos en un tinel de viento o de modelación por computadora para investigar cómo responden a la distribución de la presión del viento.

CARGAS EN LOS EDIFICIOS

• Las cargas muertas son cargas estáticas que actúan hacia abajo en sentido vertical sobe una estructura, incluyendo el peso propio de la estructura y el peso de los elementos de construcción, los accesorios y el equipo permanentemente fijo en ella. 1.

• Las cargas por asentamiento se imponen sobre una estructura por el hundimiento de una parte del suelo sustentante y el asentamiento diferencial resultante de su cimentación.

• La presión del suelo es la fuerza horizontal que una masa de suelo ejerce sol’re una estructura de retención vertical  2.

• La presión nidruIica es la fuerza hidráulica ctue el agua su1terrnea ejerce sobre un sistema de cimentación.  3.

 

• Los esfuerzos térmicos son los esfuerzos de compresión o de tensión desarrollados en un material que está restringido contra la expansión o la contracción térmicas.

Para el espacio cerrado de una habitación, el sistema estructural de un edificio debe contemplar que sea capaz de sustentar do tipos de cargas: estáticas y dinámicas.

Cargas estáticas

Se supone que las cargas estáticas se aplican lentamente a una estructura hasta que alcanzan su valor pico sin variar rápidamente su magnitud o su posición. Bajo una carga estática, una estructura responde lentamente y su deformación alcanza un pico cuando la fuerza estática es máxima.

La carga viva incluye toda carga móvil o movible en una estructura que resulta de la ocupación, de la nieve y el agua acumuladas, o del equipo movible. Una carga viva actúa típicamente en dirección vertical hacia abajo, pero también puede actuar horizontalmente para reflejar la naturaleza dinámica de una carga móvil.

• Las cargas de ocupación resultan del peso de las personas, los muebles, el material almacenado y otros elementos similares en un edificio. Los reglamentos de construcción especifican las cargas unitarias mínimas uniformemente distribuidas para diferentes usos y ocupaciones.  4.

• Las cargas de nieve son creadas por el peso de la nieve que se acumula en un techo. Estas cargas varían con la ubicación geográfica, la exposición del sitio, las condiciones eólicas y la geometría del techo.  5.

• Las cargas pluviales resultan de la acumulación de agua en un techo debido a su forma, deflexión o el atascamiento de su sistema de drenaje.  6.

• Las cargas de impacto son cargas cinéticas de corta duración debido a vehículos, equipo y maquinaria en movimiento. Los reglamentos de construcciones tratan esta carga como una carga estática, compensando su naturaleza dinámica al amplificar la carga estática.

Cargas dinámicas

Las caras dinámicas se aplican súbitamente a una estructura, con frecuencia con cambios rápidos de magnitud y del punto de aplicación. Bajo una carga dinámica, una estructura desarrolla fuerzas de inercia en relación con su masa y su deformación máxima no corresponde necesariamente a la magnitud máxima de la fuerza aplicada. Los dos tipos principales de cargas dinámicas son las cargas de viento y las cargas sísmicas.

Tipos de Construcción de un Edificio

Los reglamentos de construcción clasifican la construcción de un edificio de acuerdo con la resistencia al fuego de sus componentes principales: el marco estructural, los muros exteriores de carga y sin carga, los muros interiores de carga, los divisores permanentes, los ensamblados de piso) plafón y techo, las escaleras y los recintos para cubos.

• 1. Los edificios de tipo I son de construcción incombustible y tienen una retícula estructural de acero, concreto reforzado o mampostería reforzada.
• 2. Los edificios de tipo II son similares a los edificios de tipo I con excepción de una reducción en el grado requerido de resistencia al fuego de los elementos de construcción.
• 3. Los edificios de tipo III tienen muros exteriores incombustibles y una retícula estructural de acero, concreto, mampostería o madera.
• 4. Los edificios de tipo IV tienen muros exteriores incombustibles, una retícula estructural interior de madera sólida o laminada de tamaños mínimos específicos y pisos sin espacios ocultos.
• 5. Los edificios de tipo V tienen elementos de construcción con el grado de resistencia al fuego especificado en el reglamento de construcciones.
• Para que una construcción sea del tipo protegido se requiere que tenga en su totalidad una hora de resistencia al fuego.
• Una construcción del tipo no protegido no tiene requerimientos de resistencia al fuego con excepción de los recintos de los cubos y de las salidas o si el reglamento de construcciones requiere protección de los muros exteriores debido a su proximidad a un lindero.
• La siguiente tabla esboza los grados requeridos de resistencia al fuego de los elementos de construcción para los diferentes tipos de construcción. Consultar el reglamento de construcciones para requerimientos más específicos.
• Véase el apéndice para el grado de resistencia al fuego de ensamblados representativos de construcción.

Aun cuando cada uno de los modelos de reglamento difiere en los requerimientos detallados de cada tipo de construcción, todos ellos limitan la altura y el área máximas por piso de un edificio de acuerdo con el tipo de construcción y la ocupación o el uso. El objetivo de estas disposiciones es proteger al edificio del fuego y contener un incendio el tiempo suficiente para permitir que las personas evacuen el edificio con seguridad. La limitación del tamaño puede ser excedida si el edificio está equipado cori un sistema automático de rociadores contra incendio, o si está dividido mediante muros contra incendio en áreas , que no sobrepasen la limitación del tamaño.

• 6. Se requiere que los muros contra incendio tengan un grado de resistencia al fuego que sea suficiente para evitar la propagación del fuego de una parte del edificio a otra. Deben prolongarse de manera continua desde la cimentación hasta un parapeto arriba del techo del edificio, o hasta el lado de debajo de un techo incombustible. Todos los vanos en los muros contra incendio están restringidos a un cierto porcentaje de longitud de muro y deben protegerse mediante puertas contra incendio de cierre automático, ensamblados para ventanas de grado contra incendio y en el caso de ductos de aire, mediante amortiguadores contra fuego y humo.
• 7. Los separadores de habitaciones son las construcciones verticales u horizontales resistentes al fuego, que se requieren para evitar la propagación del fuego de una habitación a la otra en un edificio de uso mixto.
• 8. El libramiento contra incendio se refiere al espacio requerido entre un lindero o un edificio adyacente y un muro exterior que tenga un grado especificado de resistencia al fuego.